Дыхание в космическом скафандре
Дыхание в космическом скафандре — специальный вариант дыхания, который делается когда человек на себя нацепил большой космический скафандр. Такой скафандр является жизненной необходимостью при работы в условиях космоса, где отсутствует корректный кислород, кроме того имеется разница в давлении, из-за которого человек в таких условиях существовать просто не может.
Создание надёжной системы дыхания является одной из важнейших инженерных задач при разработке скафандров для выхода в открытый космос и работы на поверхности других небесных тел. Ведь если скафандр будет работать неверно, то весьма быстро космонавт накроется, что допускать никак нельзя.
История[править]
Человек по природе своей обитает на поверхности планеты, может при желании жить в умеренном высокогорье. А вот морские просторы, очень высокие позиции над уровнем земли и тем более космос для него являются враждебной средой, в которой жить просто невозможно. Одной из важных причин является недостаток крайне необходимого воздуха, который человек потребляет посредством дыхания. Сначала делается сильный вдох, который как бы забирает воздух из окружающего пространства, затем уже происходит выдох, который только кажется возвращением воздуха — на деле выходит вредоносный газ.
Чтобы посетить водные просторы, помогает акваланг, который устроен не так и сложно. Можно использовать и полноценный водолазный костюм. Хотя есть разница давлений, которая осложняет дыхание, всё же под воду не особенно глубоко спуститься не так и тяжело, это может каждый. А вот с космосом всё сложнее, это среда совсем уж поганая.
Космонавты проходят специальную подготовку по работе с системами дыхания скафандров, проводят изучение принципов работы, порядка действий в опасных ситуациях и практические тренировки. Особое внимание уделяется развитию навыков работы в условиях ограниченного запаса кислорода и умению распознавать симптомы гипоксии и гиперкапнии. Тренировки проводятся в гидробассейнах нейтральной плавучести.
Перед выходом в открытый космос в скафандрах с пониженным давлением космонавты дышат чистым кислородом в течение нескольких часов для удаления азота из крови и тканей. Этот процесс необходим для предотвращения декомпрессионной болезни при переходе от атмосферного давления станции к пониженному давлению в скафандре.
Научные данные[править]
В состоянии покоя человек потребляет приблизительно 250 миллилитров кислорода в минуту, а при физической нагрузке это значение может возрастать до 2-3 литров в минуту. Одновременно организм выделяет углекислый газ, который опарашивает окружающую среду (им нельзя дышать, он бесполезен). При этом при работе в скафандре космонавт испытывает значительные физические нагрузки, так что воздух требуется в большом количестве (даже при том, что космонавты обычно подготовленные люди и поэтому как и всякого спортсмена потребление кислорода у них снижено).
Для нормального дыхания необходимо поддерживать парциальное давление кислорода в диапазоне 160—195 мм ртутного столба. Концентрация углекислого газа не должна превышать 1-2 % от общего объёма дыхательной смеси, более высокие значения приводят к гиперкапнии, после чего возникают неприятные побочные эффекты — головные боли, учащённое дыхание и заметное снижение работоспособности. Влажность также требует контроля для предотвращения запотевания визора, что может не позволить нормально работать в условиях космоса.
Хронология скафандров[править]
Ранние космические скафандры использовали вентиляционный принцип, при котором кислород подавался в скафандр из внешнего источника и после использования выбрасывался в космическое пространство. Такая система применялась в первых американских скафандрах программ Меркурий и Гугл Джемини, а также в советских скафандрах СК-1. Преимуществом вентиляционной системы является её простота и надёжность, но существенным недостатком выступает большой расход кислорода, из-за чего космонавт вне корабля может продержаться совсем недолго.
С увеличением продолжительности выходов в открытый космос возникло желание усовершенствовать такой важный и необходимый процесс, как дыхание. Были внедрены новые системы. Регенерационные системы основаны на очистке выдыхаемого воздуха от углекислого газа и водяных паров с последующим добавлением кислорода для компенсации его расхода. За счёт этого получилось нехило снизить массу системы жизнеобеспечения и увеличить автономность скафандра, теперь космонавт может находиться вне корабля куда дольше времени.
Устройство скафандра[править]
В современных скафандрах кислород хранится в газообразном состоянии под высоким давлением в лёгких баллонах. Масса кислородного запаса для семичасового выхода составляет примерно 0,5-1,2 килограмма. В некоторых системах предполагалось использование жидкого кислорода, обладающего большей плотностью, но оказалось что из такого кислорода делать нормальный тяжело, и в целом такая система может легко отказать.
Удаление углекислого газа делается с помощью химических поглотителей, чаще всего их создают на основе гидроксида лития. Этот полезный веществ вступает в химическую реакцию с углекислым газом, образует карбонат лития и воду. Картриджи с поглотителем имеют ограниченную ёмкость и требуют периодической замены. Масса поглотителя для одного выхода составляет около 2-3 килограммов. В самых последних вариантах скафандров исследуются регенерируемые системы удаления углекислого газа на основе аминов или молекулярных сит, которые можно восстанавливать путём нагрева и изменения давления.
Для обеспечения циркуляции газовой смеси внутри скафандра используются компактные электрические вентиляторы, создающие необходимый поток воздуха. Скорость циркуляции составляет 150—200 литров в минуту. Система циркуляции также способствует отводу тепла и влаги от тела космонавта. Вся эта система крайне сложна, при этом по сути в космических условиях иначе не получится, так как скафандр это полностью замкнутое устройство, а такое устройство создать очнеь тяжело (скажем в акваланге лишний воздух тупо стравливается в воду).
Проблемы[править]
Одной из постоянных проблем является запотевание визора шлема из-за конденсации водяных паров. Для борьбы с этим явлением используются специальные покрытия, системы обдува внутренней поверхности визора и устройства для сбора конденсата. Тем не менее, проблема полностью не решена.
При работе в скафандре космонавт испытывает повышенную усталость от дыхания из-за сопротивления системы вентиляции и необходимости преодолевать давление скафандра при движениях грудной клетки. Из-за этого космонавт очень мощно устаёт при работе в скафандре.
Длительное дыхание чистым кислородом при пониженном давлении может оказывать влияние на дыхательную систему, вызывать подсушивание слизистых оболочек и изменение структуры лёгких. Однако при соблюдении установленных режимов работы эти эффекты не оказывают слишком большого влияния на здоровье космонавта.
